張紀星，師修昌

(1.江蘇省地質調查研究院，江蘇 南京 210018；2.河南財經政法大學BIM技術與智慧建造河南省工程實驗室，河南 鄭州 450046)

0 引言

神東煤田探明儲量2.236×1011t，約占全國總探明煤炭儲量的25%，在國家能源戰(zhàn)略中具有重要的地位。但該煤田地處我國西北干旱半干旱地區(qū)，區(qū)內水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱。神東礦區(qū)目前廣泛采用長壁工作面開采地下淺埋煤炭資源，煤巖層原始結構破壞嚴重，采動形成的導水裂隙帶容易溝通上覆含水層和地表，引起含水層的水資源疏漏、地表塌陷、生態(tài)環(huán)境惡化等一系列礦山環(huán)境地質負效應[1-4]。因此，對神東礦區(qū)煤炭開采覆巖變形破壞及導水裂隙帶發(fā)育規(guī)律研究，對礦區(qū)保水開采、突水潰沙防治等具有重要意義。

長期以來，國內外不少學者已開展了神東煤田煤層長壁開采覆巖破壞規(guī)律研究，從不同角度出發(fā)做了大量有價值的工作。黃慶享[5]根據淺埋煤層工作面礦壓實測和模擬研究，得出了淺埋煤層頂板破斷的主要特征是頂板切落式破斷和臺階下沉的規(guī)律；許家林等[6]對淺埋煤層覆巖關鍵層結構類型進行分類，并分析了其破斷失穩(wěn)特征；范鋼偉等[7]分析了3類典型淺埋煤層開采覆巖裂隙在工作面橫向和縱向上的的動態(tài)演變特征；王雙明等[8]研究了榆神府礦區(qū)煤層上覆隔水巖組不同厚度與采高比的覆巖垮落特征和采動裂隙貫通情況；薛東杰等[9]研究了大柳塔煤礦淺埋深薄基巖煤層組開采覆巖裂隙演化規(guī)律，得出了煤層開采過程中逾滲概率演化特征；賈后省等[10]采用相似模擬試驗和現場實測研究了淺埋深薄基巖回采工作面覆巖縱向貫通裂隙發(fā)育，得出了“張開-閉合”的規(guī)律。綜上所述，已有的研究主要是針對神東煤田淺埋單一煤層開采或淺埋近距離煤層重復開采問題，但是隨著淺部煤層開采殆盡，遺留了大量采空區(qū)，對這些淺部長壁采空區(qū)下伏的遠距離煤層開采研究較少。本文針對大柳塔礦2-2煤采空區(qū)下5-2煤大采高安全開采問題，通過物理模擬和數值模擬計算，對5-2煤層大采高開采覆巖裂隙演化及移動變形進行研究。

1 工程概況

大柳塔煤礦是神東煤炭集團所屬的一座特大型現代化礦井，地處陜西省神木縣大柳塔鎮(zhèn)烏蘭木倫河畔，核定生產能力2.170×107t。煤層上覆地層為中、下統延安組(J1-2y)，中統直羅組(J2z)，安定組(J2a)，第三系及第四系。主采1-2、2-2、5-2煤層，1-2、2-2煤層埋深100 m以淺，屬于淺埋煤層，5-2煤層埋深一般為250 m，屬于近淺埋煤層。井田地層產狀平緩，總體表現為走向NW-SE，傾角1°。充水含水層為第四系薩拉烏蘇組潛水和中侏羅統直羅組裂隙水。在淺埋深1-2、2-2煤層開采過程中覆巖裂隙導通上部含水層，造成地下水滲流至井下，采空區(qū)積存大量礦井水。近年來，隨著神東煤炭基地開采強度逐年增大，開采深度不斷增加，大柳塔煤礦淺部1-2、2-2煤層已開采殆盡，遺留了積存大量礦井水的采空區(qū)，嚴重影響了下部5-2煤層的安全開采[11]。

2 相似材料模擬試驗

為了消除邊界效應，模擬煤層開采時，模型兩邊各留75 cm的邊界煤柱。模型中2-2煤采高2.8 cm，5-2煤采高4.4 cm，先開采2-2煤，后開采5-2煤，煤層每次開挖5 cm，總開挖長度320 cm，通過在相似模型內部布置位移基點和應力傳感器，記錄煤層開采過程中覆巖下沉量與礦壓顯現規(guī)律。

3 試驗結果分析

3.1 覆巖采動裂隙演化

淺埋煤層2-2煤工作面推進中頂板周期來壓步距15～20 m，采動覆巖裂隙導通貫穿上覆基巖，頂板巖層沿煤壁周期性全厚切落，地表出現臺階狀裂縫；推進至480 m時停采，采空區(qū)覆巖垮落僅有冒落帶和裂隙帶(圖1)。

5-2煤層工作面推進至68 m時，老頂發(fā)生初次垮落。隨著工作面繼續(xù)向前推進，頂板的周期性垮落步距為20～25 m，頂板垮落高度不斷向上部巖層發(fā)展，離層裂縫的層位也隨之向上擴展(圖2)。工作面推進210 m覆巖破壞高度達99 m，推進至278 m時，層間巖層全部破斷，上覆采空區(qū)直至地表同時出現整體下沉運動，豎向破斷裂隙貫通層間巖層并溝通2-2煤采空區(qū)。隨著工作面繼續(xù)向前推進，沿工作面煤壁形成的貫通裂隙周期性連通2-2煤采空區(qū)，推進至480 m時停采，覆巖破裂區(qū)呈“梯形”，由于采空區(qū)中部區(qū)域垮落巖層被重新壓實，覆巖裂隙逐漸閉合，裂隙密度遠小于開切眼和工作面煤壁附近。

表1 原型與模型的煤巖物理力學參數

圖1 2-2煤層開采覆巖破壞Fig.1 Overburden failure during No.2-2 seam excavation

圖2 5-2煤層開采覆巖破壞過程Fig.2 Overburden failure during No.5-2 seam excavation

由此可見，如果5-2煤層采用一次采全高開采方法，覆巖采動裂隙會貫穿中間巖層連通2-2煤采空區(qū)，導水裂隙帶發(fā)育高度大于層間巖層厚度153 m，裂采比約為23.2，覆巖采動裂隙發(fā)育特征為在采空區(qū)中部形成裂隙壓實閉合區(qū)，而在兩側形成裂隙貫通發(fā)育區(qū)，此處采動裂隙最易溝通2-2煤采空區(qū)，使2-2煤采空區(qū)積水成為5-2煤工作面的充水水源。

3.2 頂板巖層垂直位移

圖3為5-2煤層不同高度頂板巖層下沉曲線(H=45 m表示5-2煤層頂板45 m處巖層)，由圖3可知，不同高度頂板巖層垂直位移的明顯不同步：當工作面推進128 m時，H=45 m處巖層下沉量由原來的0.3 m增加到3.5 m，而H=88 m和H=148 m處巖層下沉量基本沒有增加，H=88 m及以上巖層沒有垮落，最大垮落帶高度為46 m；當工作面推進210 m時，H=88 m處巖層下沉量由原來的0.35 m增加到3.1 m，而H=148 m處巖層下沉量仍然很小，最大垮落帶高度為99 m；當工作面推進278 m時，H=148 m處巖層下沉量突然增加到2.73 m，2-2煤與5-2煤中間的巖層全部垮落，H=45 m和H=88 m處巖層在上部巖層壓實作用下垂直位移緩慢增加；當工作面推進390 m時，工作面后方100 m的上覆巖層停止運動，下沉位移達到穩(wěn)定。

圖3 5-2煤頂板巖層垂直位移Fig.3 Roof vertical displacement of No.5-2 coal seam

5-2煤重復采動影響下，上覆2-2煤采空區(qū)圍巖結構失穩(wěn)，其頂板巖層及地表移動變形值進一步增大，當5-2煤工作面推進278 m時，由于中間巖層全部破斷，開始對2-2煤層上覆巖層及地表位移產生顯著影響，使其老頂下沉量由初采時的3.56 m增加到7.26 m，增加量為3.7 m；地表下沉量則由初采時的2.31 m增加到6.25 m，增加量為3.94 m。

3.3 礦壓顯現特征

5-2煤開切眼前方290 m處頂板巖層內布置有應變片，工作面推進過程中采集該應變片的應變量，經數據處理軟件得到該位置頂板巖層的支承壓力變化曲線(圖4)，從圖4可以看出，工作面推進至離切眼278 m以前時，隨著頂板周期性垮落，上覆巖層重量不斷向工作面煤壁深處轉移，該應變片位置頂板巖層支承壓力平穩(wěn)增加。但當5-2煤工作面推進278 m時，層間巖層全部垮落，2-2煤覆巖也進一步下沉，應變片位置頂板巖層支承壓力急劇增加，最大達14.85 MPa，應力集中系數2.48。當工作面推過該應變片所在巖層后，此處頂板巖層處于卸壓狀態(tài)，壓力迅速減小。

圖4 工作面前方頂板支承壓力變化Fig.4 Variation of roof abutment pressure with advancement of working face

4 大采高開采覆巖破壞數值模擬分析

4.1 計算模型的建立

根據大柳塔煤礦開采實踐，建立三維數值計算模型，模型的大小為600 m× 500 m× 264.3 m(長×寬×高)，網格共有108 000個單元，115 005個節(jié)點組成。計算模型中煤巖層選擇Mohr-Coulumb屈服準則，煤巖層結構及其物理力學參數見表1。設定模型的邊界條件如下：約束模型左右、前后側面水平方向位移；約束底部豎直和水平方向位移，頂部為自由面。2-2煤和5-2煤工作面傾向長度分別為240 m、300 m，推進長度均400 m。為消除邊界效應對煤層開采的影響，開挖空間前后、左右均留設邊界保護煤柱。

4.2 數值模擬結果分析

圖5 采動覆巖最大主應力分布云圖Fig.5 Principal stress distribution in overlying strata after coal seam mining

圖5為煤層開采后采場圍巖最大主應力分布圖(壓應力為正)，可以看出采空區(qū)上覆巖體按受力狀態(tài)可劃分為三個區(qū)域[12]：①雙向拉應力區(qū)σ1<0，σ3<0；②拉壓應力區(qū)σ1<0，σ3>0；③雙向壓應力區(qū)，σ1>0，σ3>0。由于巖體的抗壓強度遠大于抗拉強度，①區(qū)和②區(qū)內巖層最容易發(fā)生拉伸破斷或拉張裂隙，因此，σ1=0等值線最大高度可以作為近似值來判別導水裂隙帶的最大高度。從2-2煤和5-2煤開采400 m時上覆巖層中主應力圖5可以看出，此時5-2煤層開采覆巖導水裂隙帶最大高度已達到2-2煤采空區(qū)底板，上下煤層采動覆巖裂隙相連通并波及到地表。

數值模擬結果中塑性區(qū)分布能夠反映煤層開采后頂底板巖體破壞情況(圖6)，2-2煤層開采覆巖破壞范圍發(fā)展到地表，5-2煤層開采覆巖破壞范圍形態(tài)類似于馬鞍形，采空區(qū)邊界上方的覆巖破壞高度較大并連通2-2煤采空區(qū)，而采空區(qū)中部覆巖破壞高度略低，邊這與相似模擬試驗結果是一致的。

圖6 煤層開采后上覆巖層塑性區(qū)分布Fig.6 Distribution of plastic zone in overlying strata after coal seam mining

5 覆巖破壞高度現場實測

為了準確掌握大柳塔煤礦5-2煤層大采高開采覆巖破壞高度，在52 306 工作面地表施工DS2 探測孔，DS2號鉆孔為采后孔，該孔孔口標高為1 200.33 m，終孔孔深198.25 m，距52 306工作面開切眼403 m，距回風巷26 m，該處工作面長度為301 m。采區(qū)工作面分布及導水裂隙帶探測鉆孔DS2平面布置如圖7 所示。

圖7 采區(qū)工作面及DS2探測鉆孔平面布置Fig.7 Plane layout of working face and DS2 detecting boreholes in mining area

在孔深18.00～31.25 m(標高1 182.33～1 169.08 m)段沖洗液漏失量為0.03～0.06 L/(m·s)，段內巖芯完整，無裂隙。當鉆進到31.25 m時，沖洗液全部漏完，孔口不返漿，經過堵漏無效，便頂水繼續(xù)鉆進，鉆進到35.75 m時孔口又恢復返漿，但漏失量較高，孔深31.25～35.75 m段內巖芯較不完整，局部見裂隙，較為發(fā)育，局部巖芯破碎。孔深35.75～46.25 m段沖洗液漏失量為0.64～1.20 L/(m·s)，段內巖芯偶見裂隙及局部破碎情況分析，是受下部采動產生上覆地層彎曲下沉，下沉過程中對軟巖地層造成物理性破壞。鉆進到46.25 m時，沖洗液全部漏完，孔口不返漿，經過堵漏無效，便頂水繼續(xù)鉆進，直到終孔，孔深46.25～163.75 m段內巖芯不完整，次生裂隙發(fā)育，大小不等，均勻分布于段內，段內上部巖芯局部破碎嚴重，下部巖芯大部分極度破碎。DS2鉆孔沖洗液漏失量觀測結果如圖8所示。

圖8 DS2鉆孔沖洗液漏失量觀測結果Fig.8 Observation results of DS2 drilling flushing fluid leakage

結合孔內水位變化、孔內吸風、掉鉆等現象，DS2號鉆孔導水裂隙帶頂界為孔深46.25 m處，經計算52 306工作面導水斷裂帶發(fā)育高度為137.32 m，裂采比為20.2。由于5-2煤層與2-2煤層層間距156.83 m， 2-2煤層底板破壞深度達20 m，那么5-2煤大采高開采覆巖導水裂隙帶與2-2煤層開采底板擾動裂隙導通，形成5-2煤層巷道主要充水通道，由于2-2煤層涌水量較大，建議加強礦井防治水工作?，F場實測也驗證了物理模擬和數值模擬的正確性。

6 結論

(1)物理模擬和數值模擬研究表明，大柳塔煤礦5-2煤層一次采全高開采時，覆巖破斷縱向裂隙貫通層間巖層并連通2-2煤采空區(qū)，工作面出現強烈的礦壓顯現，并加劇了2-2煤采空區(qū)圍巖結構失穩(wěn)及地表沉陷。

(2)現場實測表明大柳塔煤礦5-2煤層大采高開采覆巖破壞高度137.32 m，裂采比20.2，連通了2-2煤層底板裂隙，形成5-2煤層巷道主要充水通道。2-2煤采空區(qū)積水便成為了5-2煤工作面開采的直接充水水源，構成水害隱患。

(3)對于淺部采空區(qū)下部的煤層開采前，應探明下部煤層開采覆巖破壞高度與裂隙演化規(guī)律，為制定防治水實施方案提高依據，確保煤礦安全開采。